技術文章 » 五年經驗的前端社招被問：CPU 和 GPU 到底有啥區別？

五年經驗的前端社招被問：CPU 和 GPU 到底有啥區別？

2022-12-13 15:00:34

首先來看 CPU 和 GPU 的百科解釋：

  • CPU（Central ProcessingUnit，中央處理器）：功能主要是解釋計算機指令以及處理計算機軟體中的資料

  • GPU（Graphics ProcessingUnit，圖形處理器；又稱顯示核心、顯示卡、視覺處理器、顯示晶片或繪圖晶片）：GPU 不同於傳統的 CPU，如Intel i5 或 i7 處理器，其核心數量較少，專為通用計算而設計。相反，GPU是一種特殊型別的處理器，具有數百或數千個核心，經過優化，可並行執行大量計算。雖然 GPU 在遊戲中以 3D 渲染而聞名，但它們對執行分析、深度學習和機器學習演演算法尤其有用。GPU 允許某些計算比傳統 CPU 上執行相同的計算速度快 10 倍至 100 倍。

CPU 和 GPU 之所以大不相同，是由於其設計目標的不同，它們分別針對了兩種不同的應用場景：

  • CPU 需要很強的通用性來處理各種不同的資料型別，同時又要邏輯判斷又會引入大量的分支跳轉和中斷的處理。這些都使得 CPU 的內部結構異常複雜
  • 而 GPU 面對的則是型別高度統一的、相互無依賴的大規模資料和不需要被打斷的純淨的計算環境

於是 CPU 和 GPU 就呈現出非常不同的架構（如下圖 1-3 所示，圖片來源 Nvidia），其中 GPU 部分的綠色是計算單元（ALU），橙紅色是儲存單元（Cache），橙黃色是控制單元（Control），DRAM 代表記憶體：

由上圖 1-3 可以看出：GPU 採用了數量眾多的計算單元和超長的流水線，但只有非常簡單的控制邏輯並省去了 Cache。而 CPU 不僅被 Cache 佔據了大量空間，而且還有有複雜的控制邏輯和諸多優化電路，相比之下計算能力只是 CPU 很小的一部分。

由此我們引出 CPU 和 GPU 的設計目標：

1）CPU 是基於低延遲（Low Latency）的設計，核心數量較少

  • Powerful ALU（強大的算術運算單元）：它可以在很少的時鐘週期內完成算術計算；
  • Large Caches（大的快取）：將部分資料儲存在快取中，使得長延遲的記憶體存取轉換稱短延遲的快取存取；
  • Sophisticated Control（複雜的邏輯控制單元）：當程式含有多個分支的時候，它通過提供分支預測的能力來降低分支延時；並且，當一些指令依賴前面的指令結果時，它通過提供儘可能快的資料轉發的能力來減少資料延遲。

2）GPU 是基於大吞吐量（Big Throughput）的設計，核心數量較多

  • Small Caches（小的快取）：GPU 中快取的目的不是儲存後面需要存取的資料的，這點和 CPU 不同，而是為 Thread 提供服務的。如果有很多執行緒需要存取同一個相同的資料，快取會合並這些存取，然後再去存取記憶體。但是由於需要存取記憶體，自然會帶來延時的問題；

    批次讀取/存取，一個非常常見的提升吞吐量的設計，比如 Kafka 中就用到了類似思想

  • Simple Control（簡單的邏輯控制單元）：把多個的存取合併成少的存取；

  • Energy efficient ALUs（大量的算術運算單元）：如上所述，GPU 雖然有記憶體延時，卻有非常多的 ALU 並支援非常多的 Thread，因此，可以充分利用 ALU 儘可能多地分配執行緒從而達到非常大的吞吐量。

總結來說，作為強大的執行引擎，CPU 將它數量相對較少的核心集中用於處理單個任務，並快速將其完成。這使它尤其適合用於處理邏輯控制、序列計算、資料庫執行等型別的工作。

相比之下，GPU 由數百個核心組成，可以同時處理數千個執行緒，所以與 CPU 擅長、序列的運算和通用型別資料運算不同，GPU 擅長的是大規模平行計算，將複雜的問題分解成數千或數百萬個獨立的任務，並一次性解決它們，比如影象處理任務，包括紋理、燈光和形狀渲染等子任務都必須同時完成，以保持影象在螢幕上快速呈現，除此之外，GPU 還被大量應用於深度學習、密碼破解等任務中。

表 1.1 CPU 和 GPU 的區別

CPU GPU
Several cores Many cores
Low latency High throughput
Good for serial processing Good for parallel processing
Can do a handful of operations at once Can do thousands of operations at once

下面用一個通俗的例子來做個比喻：

注意只是比喻，可能不會太恰當，主要是幫助理解

假設我們需要做一道雞兔同籠的小學奧數題（來源 1500 年前的《孫子算經》）：

  • 今有雉兔同籠，上有三十五頭，下有九十四足，問雉兔各幾何？

計算題目，理解題目並且整理出解題的步驟以及解法，這是 CPU 乾的事情，於是 CPU 給出了類似下面的二元一次方程：

解題的過程需要用到的眾多計算，則需要一幫不需要很高邏輯理解力的計算者完成，他們只需要負責其中很簡單但是數量又很大的簡單運算就行了，最後他們把各自運算的結果交出來給 CPU 整理，那麼這群計算者就是 GPU。

簡單來說就是：

  • CPU 力氣大啥事都能幹，還要協調手下各類小弟；
  • GPU 就是 CPU 的其中一個小弟，老大分配給給他處理圖形或者平行計算等任務，這方面處理簡單，但是量大，老大雖然能處理，可是精力有限（指 CPU 核心數量較少），所以不如交給小弟處理了，小弟精力旺盛（指 GPU 擁有大量核心），而且專門幹這行，非常有經驗，幹起活兒來賊快。

本文首發於公眾號@飛天小牛肉，阿里雲 & InfoQ 簽約作者，分享大廠面試原創題解和個人成長經驗，覺得有用的小夥伴點點關注呀~